基于高光谱技术建筑反射隔热涂料光谱特征减损规律的分析

引言

近年来，随着我国国内城镇化进程的不断推进，城镇建筑规模持续扩大，城镇内不透水面占比持续增加，城市热岛效应日益突出，这加大了维持适宜冷热环境而导致的能源损耗，因此如何降低太阳辐射能对建筑内环境的干扰，提高建筑内冷热环境的稳定性，降低能源损耗，已逐步成为建筑节能的研究热点。

作为一种新型建筑涂料，建筑反射隔热涂料可通过增强建筑外墙对太阳辐射能的有效反射，降低建筑外墙对太阳辐射能量的吸收，减少外墙表面热累积，提升建筑内冷热环境的稳定性，实现建筑节能。国内外学者围绕建筑反射隔热涂料开展了大量研究，并取得一定的研究成果：钛白粉、空心玻璃微珠能有效提升涂料的反射特征，提高涂料反射隔热性能。建筑反射隔热涂料的成膜树脂应尽量少含—C—O—C—，C==O等吸热基团，降低对太阳辐射的吸收作用，提升成膜树脂的穿透性。不透水表面喷涂合适的建筑反射隔热涂料将有助于降低空调能耗。涂料在350~2500nm区间内的光谱反射率直接影响到涂料反射隔热性能的高、低。白色涂料具有高反射特征；涂料的反射、吸收特征受施工厚度影响较大；加入填料与色浆有助于提升反射隔热涂料的耐候性。建筑反射隔热涂料易受外界不可控因子影响，涂料表面易被粉尘覆盖，涂料内部组分理化特征则易受温度、降水等多因子综合作用，致使建筑反射隔热涂料的性能产生减损。当前针对建筑反射隔热涂料的研究多侧重于涂料的理化组分信息，而针对建筑反射涂料性能在时间尺度上的演化规律的研究相对较少。

建筑反射隔热涂料性能的减损是影响特定时间区间内建筑节能效果的关键因素。为研究分析建筑反射隔热涂料性能在时间维度的演化规律，以高光谱为主要技术手段，结合吸收峰深度、数学方法等光谱处理方法，定量分析涂料光谱反射特征、吸收特征，研究涂料反射特征、吸收特征在时间维度上的演化规律，从而为建筑反射隔热涂料的设计、制作、施工提供基础技术支撑。

2、实验部分

2.1 实验设计

为研究分析建筑反射隔热涂料的反射特征、吸收特征在时间维度的演化规律。试验板材为硅钙板，底漆选用广州美涂士建材股份有限公司生产的外墙保抗碱底漆，涂料采用广州富美奥涂料有限公司生产的建筑反射隔热涂料。实验基于建筑反射隔热涂料施工规范制作涂料样本。首先将硅钙板板面采用砂纸打磨，然后涂一层底漆，将其置于通风、干燥处，待底漆完全风干后再涂一层底漆，采用同一处理方法风干，待底漆完全风干后再采用砂纸进行打磨；最后采用涂抹器制作涂料样本，涂料样本厚度变化范围为0.1~2.5mm，厚度间隔为0.1mm，共25个样本。

涂料样本制作完成后，立刻测定各样本的光谱，并将首测的光谱作为标准，然后将涂料样本垂直置于室外，距地高度为1.5m，并定期测定涂料的光谱，以研究分析涂料性能的变化规律。

2.2光谱数据采集

地物光谱反射率易受光照强度、入射角度及其他不可控因子的影响，为减弱其他因素对光谱测量的影响，选择在实验室内开展建筑反射隔热涂料光谱数据的测定，涂料光谱数据测量模式如图1所示。用地物光谱仪进行光谱测量，可测定300~2500nm区间的涂料反射光谱，光谱分辨率为1nm。于不同的四天开展涂料光谱的测量。涂料样本光谱测定前先用标准白板进行标定与优化，光照垂直于涂料样本，分别在涂料样本的不同位置进行光谱采集，共采集10条光谱，取其平均值作为涂料样本的光谱。

图1室内涂料样本光谱采集方式示意图

2.3光谱预处理方法

为避免涂料光谱曲线间的干扰，明确分析各涂料光谱的变化，将涂料光谱置于以横轴为时间、纵轴为波长的图谱坐标内。为便于定量分析建筑反射隔热涂料光谱的反射、吸收特征在时间维度的减损规律，以首次测定的涂料光谱为标准，分别将4月—10月份测定的涂料光谱与首次测定的光谱进行除法、减法处理，以定量分析涂料反射率的减损规律；针对涂料光谱的吸收特征的减损规律，选用去包络线、吸收峰深度法对涂料进行光谱处理，以研究分析涂料吸收特征的减损特征。借助ENVI5.1专业软件对光谱进行去包络线处理，然后基于去包络线提取光谱的吸收峰深度，其具体计算公式如式（1）

Di=1-Ri （1）

式（1）中，Di为位于inm处的吸收峰深度，Ri为位于inm处去包络线的值。

3、结果与讨论

3.1光谱分析

为便于直观分析建筑反射隔热涂料光谱反射率随时间的变化规律，将0.1~2.5mm厚度的反射隔热涂料的光谱利用图谱形式展示，如图1所示，其中厚度为0.4和0.5mm的建筑反射隔热涂料受外界环境影响较大，其光谱与其他厚度的光谱在近红外区域的差异较大，为客观反映建筑反射隔热涂料光谱反射率或涂料性能的减损规律，将0.4和0.5mm的涂料光谱不纳入分析范围。

图2 3月—10月0.1~2.5mm厚度的涂料光谱图

由图2可知，0.1~2.5nm厚度的建筑反射隔热涂料光谱反射率均随时间的递增而逐步减弱，350~1650nm区域的光谱反射特征减弱特征明显，而位于1650~2250nm的近红外区域光谱反射率的减弱幅度相对较少，而位于2250~2500nm的反射率则呈先降低后增加的趋势；3月、4月、5月、10月测得的各厚度反射隔热涂料的光谱反射率都随厚度的增加先逐步增加，但厚度达到1.0mm后，建筑反射隔热涂料的光谱率无明显增加，这表明厚度对涂料光谱反射率或涂料性能的影响具有较强的稳定性。

综上可知，建筑反射隔热涂料的光谱反射率在350~2250nm区域内随时间的增加而呈降低趋势，而在2250~2500nm内则呈先降低后增加的趋势；厚度对涂料光谱反射率或涂料性能的影响有较强的稳定性。

图3 3月—10月0.1~2.5mm厚度涂料光谱的吸收峰深度图

图3为建筑反射隔热涂料的反射光谱的吸收峰深度，由图3可知，涂料在350~430与2200~2350nm区间内具有较强的吸收特征，而在其他区间的吸收特征则相对较弱。在3月、4月、5月、10月采集的光谱于2200~2350nm区间吸收峰深度随涂料厚度的增加而逐步增加，且各厚度涂料光谱的吸收峰深度的差异随时间的增加而逐步减弱，当厚度达到1.0mm后，厚度对涂料吸收峰深度的影响达到饱和；位于350~430nm区间的吸收峰深度随时间增加的减弱幅度相对较小。从整体分析可知，位于350~430nm区间的吸收峰随时间的增加而逐步降低，而位于2200~2350nm区间的吸收峰随时间的增加则呈先增加而降低的趋势，究其原因是涂料表面受外界因素影响覆盖有其他杂质，从而影响了涂料的光谱特征；综上可知，建筑反射隔热涂料的吸收峰深度随时间的增加而降低，而涂料光谱吸收峰在不同光谱区间呈现不同的变化规律。

3.2涂料反射光谱特性

减损特征图4是4月—10月各建筑反射隔热涂料光谱反射率与3月光谱反射率的比值。由图4所示，从涂料光谱的整体分析可知，各建筑反射隔热涂料的光谱反射率比值在时间尺度上呈递减的趋势；单一厚度涂料的各月光谱在350~2500nm内的反射率比值的变化规律具有较高的一致性；涂料光谱反射率比值在350~950nm区间的减弱幅度较大，其次为950~1750nm区间的光谱反射率比值。综上可知，涂料的光谱反射率比值在时间维度呈递减趋势，尤其在350~950nm区间具有明显变化；各厚度涂料光谱反射率比值的变化趋势具有较强的一致性。

图4 4月—10月光谱除以3月光谱反射率

为分析建筑反射隔热涂料的光谱特征的降幅规律，将各月建筑反射隔热涂料的光谱反射率逐月相减，其结果如图5所示。由图5可知，各建筑反射隔热涂料的光谱反射特征的减弱幅度随时间的增加呈先增加后降低的趋势，且在5月达到最高，这表明建筑反射隔热涂料的性能随时间的增加而降低；在1950~2500nm区间，建筑反射隔热涂层的光谱特征的减弱幅度随时间的增加呈先增加后减少的趋势，3月—4月、4月—5月、5月—10月内各建筑反射隔热涂料光谱的减弱幅度随厚度的增加而增加，这表明涂料厚度的增加有助于保持建筑反射隔热涂料的性能。在950~1950nm区间内的涂料光谱减弱幅度随时间的增加而呈持续降低的规律；在350~950nm涂料光谱减弱幅度随时间的增加而呈先升后降的规律，3月—4月、4月—5月、5月—10月内各建筑反射隔热涂料的减弱幅度随厚度的增加而逐步减弱。综上可知，涂料光谱反射率的减弱幅度在时间维度上呈先增后降的趋势；涂料厚度对涂料光谱反射率的减弱幅度具有较强影响，不同光谱区间具有不同的变化规律。

图5 各月涂料光谱逐次递减图

从图2—图5可知，建筑反射隔热涂料的光谱反射率随时间的增加而降低，光谱反射率的降低幅度随时间的增加呈先增后减的规律，且在可见光区间的降低幅度明显高于近红外；建筑反射隔热涂料的吸收峰深度随时间的增加而降低，而涂料光谱吸收峰在不同光谱区间呈现不同的变化规律；厚度对涂料光谱反射率或涂料性能具有重要影响且拥有较强的稳定性，厚度对涂料光谱反射率的减弱幅度具有较强影响，不同光谱区间具有不同的变化规律。单一厚度的建筑反射隔热涂料的光谱反射率随时间变化的一致性，随时间的增加而变弱。

3.3讨论

建筑反射隔热涂的性能是建筑节能效果的主要评价指标，然而受外界光照、气象及其他因素的影响，建筑反射隔热涂料的反射隔热性能会受到不同程度的减损，因此建筑反射隔热涂料性能的演化是建筑在一定时段内节能效果的重要基础资料。然而当前研究多偏重于涂料组分的研究偏多，少见针对开展涂料室外外置实验的相关研究，为探寻外置建筑反射隔热涂料在时间尺度上的减损特征，以地面实验采集的数据为基础，定量分析建筑反射隔热涂料的反射特征、吸收特征在时间尺度的演化特征，从而为涂料的维护与建筑节能的评价提供基础理论与方法，结果表明：涂料光谱反射率在时间维度的变化规律受波长影响较大：其中，位于350~2250nm区间的建筑反射隔热涂料的反射率整体随外置时间的增加而呈先增后降的规律，而在2250~2500nm区间的涂料反射率则随时间的增加而呈先降后升的规律，究其原因是由于涂料表面易受土壤颗粒、灰尘等粉尘覆盖影响，对光的穿透性具有较强影响，因而在不同区间呈现不同的演化规律；在涂料光谱的吸收峰深度方面，单一厚度的建筑反射隔热涂料的光谱反射率随时间变化的一致性，随时间的增加而变弱。涂料光谱反射率的减弱幅度在时间维度上呈先增后降的趋势，且厚度对涂料光谱反射率的减弱幅度具有较强影响。

尽管本研究借助高光谱技术研究分析了不同厚度涂料性能的演化规律，但仍存在不足具体如下：

（1）虽然研究深入分析了各厚度涂料的演化规律，确认了涂料施工厚度变化区间，但未构建用于描述建筑反射隔热涂料在时间尺度上的减损特征的模型，仍需进一步深入研究。

（2）本研究将涂料样本置于同一高度，未能分析高度对建筑反射隔热涂料性能减损的影响，而涂料距地面的高度也是影响涂料减损的因子，因此，仍需开展后续实验分析。

4、结论

通过分析0~2.5mm厚度的涂料的光谱反射率随时间增加的变化规律，研究建筑反射隔热涂料性能随时间的减损性能，以期为建筑反射隔热涂料的施工参量提供基础方法与理论支撑，研究结论如下：

（1）在350~2250nm波段区间内，建筑反射隔热涂料的光谱反射率随时间的增加而降低；光谱反射率的降低幅度在1月—5月内呈增加趋势，而在5月—10月内呈递减规律，且光谱反射率在可见光区间的降低幅啡明显高于近红外区域。

（2）建筑反射隔热涂料的吸收峰深度随时间的增加而降低，降低幅度在0~0.163内。

（3）厚度对涂料光谱反射率或涂料性能具有重要影响且拥有较强的稳定性，厚度对涂料光谱反射率的减弱幅度具有较强影响。单一厚度的建筑反射隔热涂料的光谱反射率随时间变化的一致性，随时间的增加而变弱。

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审核编辑 黄宇